CAVENDISH. LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL.

1.Describe brevemente qué es la Royal Society, cuáles son sus principales objetivos, cuáles han sido sus logros más importantes a lo largo de la historia y qué otros ilustres científicos han formado parte de ella.

La Royal Society  es una de las sociedades científicas más antiguas del mundo con más de 350 años de existencia y que tiene su sede en Londres.Se realizaban reuniones con los científicos y hombres cultos más célebres de la época. El tema principal que debatían los científicos  en las reuniones era el de  debatir las ideas de Francis Bacon. Francis Bacon fue un filósofo y científico inglés que defendía el uso del método científico( centrándose en investigar todas las cosas naturales) y que es considerado el padre del empirismo( teoría que afirma que el conocimiento viene principalmente de la experiencia sensorial )

La Royal Society se reunía una vez a la semana y no estaba permitido hablar de religión, política  o economía ya que se  limitaban a tratar  la Nueva Filosofía y materias relacionadas.

En 1660 se constituye oficialmente la Royal Society  para el Avance de la Ciencia Natural, con el objetivo de promocionar el "saber experimental físico-matemático"..

El primer escrito realizado por la Sociedad incluía los principales de esta y las firmas de todos sus miembros.

Los principales objetivos de la Sociedad,explicados en esta página, eran el de aumentar el conocimiento popular sobre la ciencia, la filosofía y la naturaleza y el de obtener prestigio como organización científica.

En este documento vemos bastantes firmas destacables, empezando por la de Lord Brouncker, un gran matemático y el  primer presidente de la Royal Society. Encontramos a Isaac Barrow, el tutor de Isaac Newton,evidentemente  a Isaac Newton mismo, a Christopher Wren,el más grande de todos los arquitectos y el hombre que construyó la Catedral de Saint Paul y a John Wilkins, un  especialista  en  matemática  y  mecánica. Sabemos que Cavendish y Hook también fueron parte de esta sociedad, junto con otros miembros muy destacados como Darwin, Stephen Hawking, Benjamin Franklin o Albert Einstein.

Unos de los logros más importantes de esta sociedad fueron las notas de Benjamin Franklin sobre cómo hacer volar una cometa en una tormenta eléctrica,demostrando  que el rayo es electricidad ,la teoría de Newton sobre la luz y los colores (1672). También el estudio de Edward Stone sobre el éxito de la corteza de sauce para tratar la fiebre, es decir, los inicios del descubrimiento del ácido salicílico y la producción de la aspirina. Como logros más generales destacaron las investigaciones sobre diversas enfermedades tropicales, particularmente el tripanosoma en bovinos  y humanos en África  y  la malaria , e investigaciones sobre otras enfermedades como el daltonismo.

2.De acuerdo con el libro, Cavendish midió la composición química del aire. Realiza un diagrama de sectores con una hoja de cálculo que incluya los gases más importantes por su abundancia y compara tus resultados con los que muestra el libro. Investiga qué es el flogisto y por qué cayó en desuso. ¿Te atreves con este experimento?

Cavendish estudia la composición química del aire, midiendo sus diferentes elementos.

Aqui encontramos una tabla muy completa con la mayoría de los gases que forman el aire:

Name	Chemical formula	Percentage composition by volume
Nitrogen	N2	78.1 %
Oxygen	O2	20.9 %
Argon	Ar	0.9 %
Carbon dioxide	CO2	0.03 %
Neon	Ne	0.002 %
Helium	He	0.0005 %
Methane	CH4	0.0002 %
Krypton	Kr	0.0001 %
Hydrogen	H2	0.00005 %
Xenon	Xe	0.000009 %

Aire	Oxígeno	Nitrógeno	Argón	Dióxido de Carbono
	20,95%	78,08%	0,93%	0,03%

Podemos comprobar que el nitrógeno es claramente el más abundante, con casi un 80%, el cual es complementado por el Oxígeno que constituye un 20 %. Por último también encontramos el Argón y el Dióxido de Carbono con un porcentaje muy bajo menor a un 1%.

Para realizar el gráfico he utilizado esta última tabla, ya que contiene los gases más importantes.

Si lo comparamos con el encontramos en el libro vemos que Cavendish descubre que

el aire está formado por nitrógeno en una proporción de cuatro a uno. Llegó a precisar mucho más esta medida estableciendo que el gas al que él llamaba “flogistizado” ( nitrógeno y argón), era de un 79,167% y que el resto del aire, principalmente oxígeno era un  20,833%.

El flogisto era una supuesta Sustancia invisible que “existía” en todas las cosas materiales y que explicaba su combustión, antes del descubrimiento del oxígeno. La teoría del flogisto fue postulada por primera vez en 1667 por el físico alemán Johann Becher  para explicar el proceso químico de la combustión y fue defendida por el médico y químico Georg Stahl.

Esta teoría del flogisto explicaba  los cambios de aspecto y las propiedades, pero ignoraba las variaciones en la masa, por esta razón fue Lavoisier quien demostró la inexistencia del flogisto. Lavoisier demuestra como falsa la teoría del flogisto de una manera muy sencilla.Realiza experimentos con diferentes elementos, dándose cuenta de que la masa de algunos era mayor tras la combustión, lo cual no tendría sentido si la causa de la combustión fuera una sustancia presente en el cuerpo. Empleando la balanza , muestra de un modo indiscutible que toda combustión en el aire resulta de una combinación con una parte del aire( es decir el oxígeno).  Después de que descubriera la inexistencia de esta sustancia, se dejó de emplear la teoría del flogisto.

3.Cavendish realizó importantes descubrimientos de Química. Investiga sobre las propiedades del Hidrógeno y sobre la composición química del agua.

Hidrógeno

Una de las propiedades de los elementos no metales como el hidrógeno es que son malos conductores del calor y la electricidad. El hidrógeno, al igual que los demás elementos no metales, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, no se puede aplanar para formar láminas ni estirarse  para convertirse en hilos, es decir no es ni dúctil ni maleable.

El estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso. Es un  elmento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los no metales. El número atómico del hidrógeno es 1. El símbolo químico del hidrógeno es H. El punto de fusión del hidrógeno es de 14,025 grados Kelvin o de -258,125 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del hidrógeno es de 20,268 grados Kelvin o de -251,882 grados celsius.

La configuración electrónica del hidrógeno es 1s1. La configuración electrónica de los elementos, determina la forma en la cual los electrones están estructurados en los átomos. El hidrógeno tiene un único electrón situado en su primera capa.

Cavendish descubre que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y a su vez  muy inflamable.En un experimento Cavendish obtuvo hidrógeno, al que llamó "aire inflamable", como resultado de Ia reacción de un ácido fuerte con ciertos metales (como el cinc) y descubrió que es eI más ligero de los gases. Demostró también que cuando se extrae el oxígeno y el nitrógeno del aire queda un pequeño residuo, anticipándose mucho al descubrimiento de los gases nobles.

H2O

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante  enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular plana. En este caso es el oxígeno el que actúa como no metal debido a que, el oxígeno es un átomo muy electronegativo y ell hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo.

4.¿Qué es el calor específico de una sustancia? Lee las páginas 161 a 170 de tu libro de texto.

 El calor específico es una magnitud física que que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad(Kelvin o grado Celsius).

Por otro lado se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad(Kelvin o Celsius)

Por lo tanto el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa:

Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura ya que es empleado en cambiar el estado de la materia.

El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es más alto que el de cualquier otra sustancia común.

De acuerdo con la ley de Dulong y Petit, el calor específico molar de la mayor parte de los sólidos, a temperatura ambiente y por encima, es casi constante. A más baja temperatura, los calores específicos caen a medida que los procesos cuánticos se hacen más  significativos.El comportamiento a baja temperatura se describe por el modelo Einstein-Debye para el calor específico.

El calor específico del cobre es 0,093 cal/gm ºK (0,389 J/gm ºK) y el del plomo es solamente 0,031 cal/gm ºK (0,13 J/gm ºK).. La diferencia se encuentra principalmente en que están expresados como energía por unidad de masa; si lo expresamos como energía por moles, son muy similares.

Cuando se analiza sobre una base molar, el calor específico del cobre y el plomo son muy similares:

Esto sucede con la mayoría de los elementos no metales.

5. Cavendish también fue un adelantado a su tiempo. Aunque no entró en la historia por su descubrimiento, ¿qué es la Ley de Coulomb? Realiza una comparativa, señalando las analogías y diferencias que encuentras entre esta ley y la Ley de Gravitación Universal.

LA LEY DE COULOMB

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Hablamos sobre la fuerza entre cargas, suponiendo que se encuentran siempre en reposo, de ahi la denominación de Electrostática.

Las fuerzas electrostáticas cumplen la Tercera ley de Newton, la ley de acción y reacción, las fuerzas que ejercen dos cargas eléctricas puntuales entre sí, son de igual módulo, dirección pero de sentido opuesto.

k es la constante conocida como constante de Coulomb

F es el vector fuerza que sufren las cargas eléctricas ( de atracción o repulsión)

LGU

“Fuerza con la que se atraen dos masas puntuales es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado que los separa”.

La interacción entre dos cuerpos es atractiva central y directamente proporcional a las masas.

No es una fuerza repulsiva a diferencia que en la ley de Coulomb ya que las masas se atraen y la Tierra atrae a estos cuerpos, no les repele.

Esta fuerza no depende de nada y es por eso por lo que se denomina fuerza universal.

La fuerza de gravedad es muy débil pero aun así su alcance es infinito.

6. ¿Qué es un condensador eléctrico? ¿Serías capaz de fabricar uno con material casero?

Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Finalmente, podemos concluir en que su función es la de almacenar carga eléctrica.

Funcionamiento: Cuando conectamos el condensador a una fuente de voltaje, comienza a circular corriente por el circuito y una de las placas adquiere carga negativa y la otra positiva.

Uso del condensador: En aplicaciones eléctricas los condensadores también son muy utilizados en los flashes de cámaras de fotos. El condensador se carga desde la batería para después soltar de golpe toda su energía consiguiendo tensiones muy altas por un corto espacio de tiempo.

7. Cavendish inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio, pero, ¿cómo funciona un termómetro? ¿Qué tipos de escalas térmicas existen?

El termómetro es un instrumento de medición de temperatura, y desde su creación ha evolucionado mucho. El funcionamiento de estos instrumentos se basa en la variación uniforme de una determinada propiedad con la temperatura.

Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible y el metal utilizado siempre ha sido el mercurio. Este metal contenido en un pequeño ensanchamiento de un tubo de vidrio muy fino alcanza diferentes alturas al ponerlo en contacto con dos cuerpos de distintas temperaturas.

Escalas:

CELCIUS:

• Se asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del hielo
• Se asigna el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua
• Se mide en °C
• Se denomina escala centígrada ya que existen cien grados entre los puntos fijos

FAHRENHEIT:

• Se utiliza en los países anglosajones
• Se asigna el valor 32 a la temperatura de fusión del hielo
• Se asigna el valor 212 a la temperatura de ebullición del agua
• Se mide en  °F

ESCALA ABSOLUTA:

• Propuesto por Kelvin en 1854
• Se asigna el valor 0 a la temperatura más baja
• No existen temperaturas negativas en esta escala
• Se asigna el valor 273 a la temperatura de fusión del hielo
• Se asigna el valor 373 a la temperatura de ebullición del agua

Sin embargo, Cavendish consiguió crear un termómetro que en vez de funcionar con mercurio, funcionaba con alcohol, también fue el primer termómetro que se inventó y se basa en el mismo concepto de equilibrio térmico del termómetro de mercurio pero en vez de utilizar mercurio, se utiliza alcohol con colorantes. Este termómetro se utiliza para medir la temperatura ambiente y es más preciso que el termómetro de mercurio.

8.-Entramos en las cuestiones relacionadas con el experimento en cuestión: ¿Qué es el centro de gravedad de un cuerpo? Prueba la siguiente experiencia. Diseña tu propia experiencia y grábala en vídeo. No olvides insertarla en tu blog:

El centro de gravedad (C.G.) es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre un cuerpo de forma que si el cuerpo se apoyara en ese punto, permanecería en equilibrio

El centro de gravedad y el centro de masa (el punto geométrico que actúa como si fuera afectado por la resultante de las fuerzas externas al sistema), coinciden si el material y densidad del cuerpo es uniforme.

Vamos realizar un experimento para calcular el centro de gravedad experimentalmente:

https://youtu.be/zYoZlggyJDo

9.-Llegamos al plato fuerte del capítulo: el experimento de Cavendish (aquí podéis realizarlo virtualmente). Lo ideal sería diseñar vuestra propia experiencia, pero se trata de una tarea bastante ardua (el autor cita un interesante artículo de la revista Investigación y Ciencia al respecto), por lo que nos conformaremos con que hagáis una descripción del experimento y contestéis a la pregunta: ¿por qué Cavendish no podía medir desde la sala dónde se encontraba la balanza de torsión?

El instrumento creado por Henry Cavendish consiste en una vara horizontal de unos 1,83 metros con dos esferas de metal en los extremos. A su vez, la vara estaba colgada de un hilo, en éste también había un espejo que reflejaba una luz (en el diagrama: la línea verde). Por último colocó otras dos esferas de plomo cerca de las de metal (más pesadas y grandes).

El fin de este experimento era comprobar si las dos bolas de plomo atraían a las de metal. En la balanza se traduciría a que el espejo giraría; y por lo tanto la luz que reflejaba también.

 

Cavendish consiguió calcular la constante de la gravitación universal con este experimento que requería gran precisión. Por ello realizaba los experimentos en una habitación, para que el viento o la presencia de otro cuerpo afectaran al resultado. Esta era la razón principal por la cual él no podía entrar en la habitación para medir, ya que podría contaminar los resultados. Las esferas de metal podían sufrir una atracción hacia su punto de masas, y lo que Cavendish estaba buscando era la atracción que sufrían por las esferas de plomo.

10.-Para concluir el trabajo, investiga por qué no es buena idea utilizar materiales como el hierro o el acero para realizar el experimento. ¿Qué es el magnetismo? ¿qué otros materiales evitarías en caso de diseñar la experiencia?

El magnetismo o energía magnética es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético (Se denomina campo magnético a la región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán.).

En mi opinión Cavendish hizo bien en utilizar materiales que no estuviesen imantados; es decir ordenar sus imanes atómicos. Cada electrón, por su naturaleza es un pequeño imán. En materiales como la madera, el cristal, el plástico están colocados desordenadamente,y se anulan mutuamente. En cambio, en otros tipos de materiales tienden a orientarse a la misma dirección generando una fuerza magnética importante.

Otros materiales que Cavendish no pudo utilizar:  hematita o magnetita. En cambio pudo haber utilizado materiales como plásticos, algodón, roca de silicato o madera.